基于盾構(gòu)施工信息管理平臺的大數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程監(jiān)測研究*

滕君祥 唐耀斌

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 高級工程師)

目前，我國已開發(fā)了盾構(gòu)隧道沉降自動化監(jiān)測及數(shù)據(jù)移動發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、分析和移動端推送，以進(jìn)一步優(yōu)化盾構(gòu)施工過程參數(shù)，有效保證盾構(gòu)掘進(jìn)全過程的施工過程及周邊環(huán)境的安全[1]。為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，盾構(gòu)機(jī)制造廠商建立了B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式的盾構(gòu)信息管理平臺。如上海隧道工程有限公司在寧波軌道交通3號線盾構(gòu)施工過程信息管理系統(tǒng)中開發(fā)了遠(yuǎn)程端用戶發(fā)布平臺服務(wù)信息交互功能，為盾構(gòu)施工過程提供了穩(wěn)定的技術(shù)保障[2]。

多臺不同類型盾構(gòu)機(jī)的施工數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程集中起來，通過盾構(gòu)施工信息管理平臺對海量的、雜亂無章的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一歸類和管理，并找出其中的規(guī)律，進(jìn)而確定可量化的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警指標(biāo)。這對提高盾構(gòu)的施工效率、確保施工的穩(wěn)定和安全、減少施工事故具有重要意義。本文通過應(yīng)用UA(統(tǒng)一架構(gòu))完成分布式多臺不同類型盾構(gòu)機(jī)施工過程實(shí)時數(shù)據(jù)的采集，并由實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫共同完成數(shù)據(jù)的二次處理，使用云數(shù)據(jù)庫搭建盾構(gòu)信息數(shù)據(jù)平臺的核心數(shù)據(jù)中心。通過盾構(gòu)信息管理平臺可隨時查詢盾構(gòu)項(xiàng)目的具體進(jìn)展情況，在線分析施工的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)施工的異常情況。

1 盾構(gòu)施工信息管理平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，為滿足盾構(gòu)施工過程中數(shù)據(jù)采集、分析的功能需求，統(tǒng)一的盾構(gòu)施工信息管理平臺由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)中心及遠(yuǎn)程應(yīng)用等4個部分組成。

圖1 盾構(gòu)施工信息管理平臺的架構(gòu)框圖Fig.1 Schematic diagram of shield construction information management platform architecture framework

1) 數(shù)據(jù)采集。由地上的采集計(jì)算機(jī)和地下的多臺不同類型盾構(gòu)機(jī)以C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)完成盾構(gòu)施工過程的數(shù)據(jù)采集。在盾構(gòu)機(jī)中央控制室設(shè)置數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，在該計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置UA服務(wù)軟件，UA軟件可通過以太網(wǎng)光纖實(shí)時讀取多臺盾構(gòu)機(jī)控制器的施工數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)存儲[3]。

2) 數(shù)據(jù)處理。通過采集計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫共同完成數(shù)據(jù)的二次處理。

3) 數(shù)據(jù)中心。使用云數(shù)據(jù)庫存儲處理過的相關(guān)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)高效讀寫、高壓縮比存儲、時序數(shù)據(jù)插值及聚合計(jì)算等功能[4]。

4) 遠(yuǎn)程應(yīng)用。包括多臺遠(yuǎn)程瀏覽器及移動端的應(yīng)用，這些遠(yuǎn)程端口采用B/S結(jié)構(gòu)，最終可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程的遠(yuǎn)程分析、統(tǒng)計(jì)、查詢及預(yù)警等功能。

通過以上架構(gòu)，統(tǒng)一的盾構(gòu)施工信息管理平臺主要可實(shí)現(xiàn)以下功能：① 實(shí)現(xiàn)跨平臺的各類現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的實(shí)時互聯(lián)互通；② 支持對歷史數(shù)據(jù)歸檔文件的管理，包括創(chuàng)建、復(fù)制、刪除和備份等操作；③ 使用云數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并提供大數(shù)據(jù)分析服務(wù)；④ 通過互聯(lián)網(wǎng)為遠(yuǎn)程客戶提供盾構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理、訪問服務(wù)。

2 盾構(gòu)施工信息管理平臺的構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)采集

UA技術(shù)可為應(yīng)用程序提供可互操作的、高性能的、可擴(kuò)展的、安全和可靠的通信。基于此，盾構(gòu)施工信息管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺的各類現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的實(shí)時互聯(lián)互通[5-6]。

通過應(yīng)用UA標(biāo)準(zhǔn)，本文開發(fā)的驅(qū)動軟件可完成數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)對硬件設(shè)備的設(shè)置和讀寫操作，并通過對底層的通信細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，提供接口函數(shù)，以供服務(wù)器調(diào)用。由此，該軟件完全可以滿足目前國內(nèi)外不同品牌、不同類型盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動需求。應(yīng)用該軟件，在客戶端可查詢當(dāng)前通信數(shù)據(jù)，并可在線進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和故障診斷，從而加快盾構(gòu)施工現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)的通信連接進(jìn)程。

另外，該驅(qū)動軟件還支持常用的文件系統(tǒng)采集(如演算工坊等)，支持與常用的盾構(gòu)監(jiān)控平臺共享數(shù)據(jù)(如在標(biāo)準(zhǔn)程序基礎(chǔ)上結(jié)合具體系統(tǒng)的通信協(xié)議，與其他數(shù)據(jù)平臺可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

盾構(gòu)施工過程數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器后，將由實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次處理。本文的關(guān)系數(shù)據(jù)庫選用了Microsoft SQL Server 2008服務(wù)器軟件[3]。

實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)庫可完成盾構(gòu)施工過程數(shù)據(jù)的二次數(shù)據(jù)處理。針對數(shù)據(jù)庫中的空缺值，以及數(shù)據(jù)不一致、噪聲數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)問題，該數(shù)據(jù)庫可采取忽略該元組、屬性平均值、全局變量平均值、給定元組所有樣本平均值、分箱、聚類、數(shù)據(jù)回歸、人工更正等方法，對多元數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

該實(shí)時數(shù)據(jù)庫定義了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口訪問規(guī)范，支持死區(qū)壓縮和斜率壓縮，支持對歷史數(shù)據(jù)歸檔文件的管理(如創(chuàng)建、復(fù)制、刪除和備份等)。實(shí)時數(shù)據(jù)庫還可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有利于分析的形式，如平滑、聚集、數(shù)據(jù)概化、規(guī)范化、屬性構(gòu)造等。規(guī)范后的數(shù)據(jù)不僅可采用數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行深度挖掘，還可消除量綱的影響，方便數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和加權(quán)。同時，實(shí)時數(shù)據(jù)庫采用標(biāo)準(zhǔn)的SQL (結(jié)構(gòu)化查詢語言)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能，支持觸發(fā)器、存儲過程及游標(biāo)等數(shù)據(jù)庫常用的組件，也支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制。應(yīng)用數(shù)據(jù)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化和壓縮后，可縮小數(shù)據(jù)的規(guī)模，提高數(shù)據(jù)的分析效率。這些數(shù)據(jù)隨后經(jīng)過流處理，以數(shù)據(jù)消息的形式直接推送至數(shù)據(jù)中心。

2.3 數(shù)據(jù)中心

高性能、低成本且穩(wěn)定可靠的云數(shù)據(jù)庫作為盾構(gòu)施工信息管理平臺的核心數(shù)據(jù)中心，可提供高效讀寫、高壓縮比存儲、時序數(shù)據(jù)插值及聚合計(jì)算等服務(wù)，可滿足基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析的需要[7]。

數(shù)據(jù)中心云數(shù)據(jù)庫具備秒級寫入百萬級時序數(shù)據(jù)的性能，可提供高壓縮比、降低存儲成本，可實(shí)現(xiàn)采樣、插值、多維聚合計(jì)算及可視化查詢結(jié)果等功能，有效解決因設(shè)備采集點(diǎn)數(shù)量巨大、數(shù)據(jù)采集頻率高而造成數(shù)據(jù)存儲成本高，以及數(shù)據(jù)在寫入、查詢、分析等方面效率低的問題。

采集計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過簡化、壓縮及流處理后以數(shù)據(jù)消息的形式直接推送至數(shù)據(jù)中心的云數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。通過云數(shù)據(jù)庫控制臺及API(應(yīng)用程序編程接口)數(shù)據(jù)功能，前端大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)分組、空間聚合、數(shù)據(jù)查詢及計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工信息管理平臺所需要的功能。

3 盾構(gòu)施工信息管理平臺的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程應(yīng)用

盾構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與分析遠(yuǎn)程應(yīng)用功能主要是通過多臺遠(yuǎn)程瀏覽器和移動端，為遠(yuǎn)程客戶提供盾構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理的訪問服務(wù)。

依據(jù)業(yè)務(wù)需求，遠(yuǎn)程瀏覽器的盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用功能主要包括提供線路進(jìn)度信息和風(fēng)險報警信息、風(fēng)險源的管控及預(yù)警、盾構(gòu)監(jiān)控界面管理及監(jiān)控、盾構(gòu)機(jī)刀具管理及報表管理等方面。

遠(yuǎn)程移動端的盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用功能可根據(jù)需求開發(fā)手機(jī)的蘋果版和安卓版。依據(jù)業(yè)務(wù)需求，具體的應(yīng)用功能主要有項(xiàng)目總覽、標(biāo)段-區(qū)間信息總覽、參數(shù)統(tǒng)計(jì)、信息預(yù)警、地面沉降信息上報及設(shè)備故障報警等功能。

圖2為手機(jī)蘋果版遠(yuǎn)程移動端對盾構(gòu)停機(jī)的統(tǒng)計(jì)界面截圖。該停機(jī)統(tǒng)計(jì)以時間周期為查詢條件，可分別統(tǒng)計(jì)每個周期內(nèi)盾構(gòu)的推進(jìn)時間、拼裝時間、停止時間及這三者的占比，以及起止環(huán)區(qū)內(nèi)整體的消耗時長。

通過數(shù)據(jù)中心的云數(shù)據(jù)庫控制臺及API數(shù)據(jù)設(shè)置功能，本文所開發(fā)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能可從多方面對盾構(gòu)施工全過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析。盾構(gòu)施工信息管理平臺已在廣州地鐵8號線北延伸段、18號線、22號線、11號線及佛山地鐵3號線等地鐵建設(shè)線路上得以成功應(yīng)用。在盾構(gòu)施工過程中，通過對盾構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析、預(yù)警和統(tǒng)計(jì)，提高了盾構(gòu)施工過程中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、匯總及分析的準(zhǔn)確性和時效性，節(jié)省了人力與管理成本，確保了施工工程質(zhì)量。此外，應(yīng)用盾構(gòu)施工信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工過程的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，有效地提高了盾構(gòu)施工過程的數(shù)字化管理水平。

a) 各環(huán)號對應(yīng)的施工時間

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于UA的盾構(gòu)施工信息管理平臺，通過采集盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對各類現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)共享的功能?，F(xiàn)場采集得到的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)經(jīng)過簡化、壓縮、流處理等二次處理后，以數(shù)據(jù)消息的形式被直接推送至盾構(gòu)施工信息管理平臺云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲。在此基礎(chǔ)上，前端多臺遠(yuǎn)程瀏覽器和移動端通過云數(shù)據(jù)庫控制臺及API數(shù)據(jù)設(shè)置功能，完成了大數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)分組、空間聚合、數(shù)據(jù)查詢及計(jì)算分析，最終實(shí)現(xiàn)了對盾構(gòu)施工全過程的遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)深度分析。本文的研究成果有利于提升盾構(gòu)施工過程的管理水平、技術(shù)水平及安全管控效率。